Gestione della memoria

Gestione della memoria
n Introduzione
n Swapping
n Allocazione contigua
n Paginazione
Introduzione
n In un sistema monoprogrammato la memoria centrale è divisa
n
n
n
n
in due parti: una per il sistema operativo, l’altra per il
programma che è in quel momento in esecuzione.
In un sistema multiprogrammato, la parte “utente” deve
essere ulteriormente suddivisa per ospitare processi multipli.
Tale suddivisione è effettuata dinamicamente dal sistema
operativo ed è detta gestione della memoria.
Una gestione efficiente della memoria è vitale: se sono
presenti in memoria solo pochi processi, per la maggior parte
del tempo essi saranno in attesa di I/O.
Affinché il processore sia sempre occupato, la memoria deve
essere allocata efficientemente per immettervi il maggior
numero di processi possibile.
Associazione degli indirizzi
n Un programma per essere eseguito deve essere caricato in
memoria centrale e inserito all’interno di un processo; durante la
sua esecuzione può essere trasferito dalla memoria al disco e
viceversa.
n Coda di input — collezione di processi su disco in attesa di essere
caricati in memoria per essere eseguiti.
n Un processo può risiedere in una qualsiasi parte della memoria
fisica, e un processo non è detto che venga sempre caricato a
partire dal primo indirizzo.
n I programmi utente passano attraverso stati diversi prima di essere
eseguiti e in questi vari stati la rappresentazione degli indirizzi può
essere differente.
Associazione degli indirizzi
n L’associazione – binding – di istruzioni e
dati a indirizzi di memoria può avvenire
durante la fase di…
F Compilazione: se la posizione in memoria
del processo è nota a priori, può essere
generato un codice assoluto; se la
locazione iniziale cambia, è necessario
ricompilare il codice;
F Caricamento: se la posizione in memoria
non è nota in fase di compilazione, è
necessario generare codice rilocabile;
F Esecuzione: se il processo può essere
spostato a run–time da un segmento di
memoria all’altro, il binding viene rimandato
fino al momento dell’esecuzione. È
necessario
un
opportuno
supporto
hardware per mappare gli indirizzi (ad
esempio attraverso registri base e limite).
Spazio di indirizzi logici e fisici
n Il concetto di uno spazio di indirizzi logici nettamente
distinto dallo spazio degli indirizzi fisici è centrale per la
gestione della memoria.
F Indirizzi logici — generati dalla CPU; chiamati altrimenti
indirizzi virtuali.
F Indirizzi fisici — indirizzi utilizzati nell’unità di memoria.
n Gli indirizzi logici corrispondono agli indirizzi fisici negli
schemi di binding in fase di compilazione e caricamento,
mentre differiscono in quelli in fase di esecuzione.
Memory–Management Unit (MMU)
n Dispositivo hardware che mappa indirizzi virtuali su indirizzi fisici.
n Nello schema MMU, il valore contenuto nel registro di rilocazione
viene sommato ad ogni indirizzo generato dai processi utente nel
momento stesso in cui l’indirizzo viene inviato alla memoria.
n Il programma utente ragiona
in termini di indirizzi virtuali, né
mai è (deve essere) conscio
della loro mappatura fisica.
Rilocazione dinamica
ottenuta tramite registro
di rilocazione
Caricamento dinamico
n I sottoprogrammi non vengono caricati in memoria fino a
quando non vengono richiamati.
n Si ha un miglior impiego della memoria: sottoprogrammi
non utilizzati non vengono mai caricati.
n Utile quando si richiedono grandi quantità di codice per
gestire situazioni che avvengono raramente (condizioni di
eccezione).
n Al SO non è richiesto alcun supporto speciale. Il
caricamento dinamico viene implementato attraverso un
opportuno progetto del software.
Link dinamico delle librerie
n Il linking viene rinviato fino al momento dell’esecuzione.
n Questa caratteristica si usa soprattutto con le librerie di sistema,
ad esempio quelle del linguaggio.
n In questo modo si evita che gli tutti eseguibili dispongano di una
copia delle procedure a cui fanno riferimento.
n Porzioni di codice (dette stub) vengono impiegate per localizzare
la routine appropriata nella libreria residente in memoria: lo stub
viene rimpiazzato con l’indirizzo della routine.
n Se le librerie caricate in memoria possono essere utilizzate da più
processi (librerie condivise), il SO deve gestirne la condivisione.
Overlay
n Si mantengono in memoria solo istruzioni e dati necessari in un certo
istante. Se occorrono altre istruzioni, vengono caricate nello spazio
che era occupato dalle istruzioni che non vengono più utilizzate.
n È richiesto quando un processo è
più grande della memoria allocatagli.
n L’esecuzione è rallentata a causa
dell’operazione di I/O necessaria per
caricare l’overlay.
n Viene implementato dall’utente, non
viene richiesto alcun supporto speciale da parte del SO. Il progetto di
software con overlay è complesso.
Overlay per un assemblatore a due passi
Swapping
n Un processo per essere eseguito deve trovarsi nella memoria centrale.
ma può venir temporaneamente riversato (swapped ) nella memoria
ausiliaria backing store da cui, in seguito, viene prelevato per
proseguire l’esecuzione.
n Backing store — È un disco veloce, sufficientemente capiente da
accogliere copie di tutte le immagini di memoria per tutti gli utenti; deve
garantire accesso diretto a tali immagini. Può essere una partizione
dedicata del disco (pochi movimenti della testina).
n Roll out, roll in — È una variante dello swapping impiegata per
algoritmi di scheduling basati su priorità; un processo a priorità più
bassa è riversato sulla memoria di massa, per permettere a un
processo a maggior priorità di essere caricato ed eseguito.
Swapping
n Se l’associazione tra indirizzi logici e fisici della memoria è effettuata in
fase di assemblaggio o caricamento, il processo non può essere
caricato in posizioni differenti.
n La maggior parte del tempo di swap è impiegata per il trasferimento di
dati; il tempo totale di trasferimento è direttamente proporzionale alla
quantità di memoria riversata.
n Se il binding viene effettuato in fase d’esecuzione, il processo
sottoposto a swapping può successivamente essere riversato in uno
spazio di memoria diverso.
n Molti SO attuali supportano lo swapping, ad esempio UNIX e MS
Windows.
Swapping
Swapping di due processi utilizzando il disco come backing store
Allocazione contigua
n La memoria principale viene suddivisa in due partizioni:
F La parte residente del SO è generalmente memorizzata nella memoria bassa,
insieme al vettore degli interrupt.
F I processi utente sono memorizzati nella memoria alta.
n Allocazione con partizione singola
F Si impiega uno schema basato su registri base e limite per proteggere
programmi e dati del SO e per proteggere reciprocamente i programmi utente.
F Il registro di rilocazione contiene il valore del più piccolo indirizzo fisico di
memoria allocata al processo; il registro limite contiene l’intervallo degli indirizzi
logici: ciascun indirizzo logico deve essere inferiore al valore del registro limite.
Supporto hardware ai
registri base e limite.
Allocazione contigua
n Allocazione con partizioni multiple
F Nei primi SO si avevano partizioni di dimensioni fisse.
F Un buco (hole) è un blocco di memoria disponibile; nella
memoria sono sparsi buchi di varie dimensioni.
F Quando viene caricato un nuovo processo, gli viene allocato
un buco grande abbastanza da contenere il processo.
F Il SO conserva informazioni su:
a) Partizioni allocate b) Partizioni libere (buchi)
SO
SO
SO
SO
processo 5
processo 5
processo 5
processo 5
processo 9
processo 9
processo 8
processo 2
processo 10
processo 2
processo 2
processo 2
Problemi di allocazione dinamica della memoria
n Come soddisfare una richiesta di dimensione n a partire da
un insieme di buchi?
n In ogni momento è presente un insieme di buchi di diverse
dimensioni sparsi per la memoria.
F First–fit: Viene allocato il primo buco grande abbastanza.
F Best–fit: Viene allocato il buco più piccolo capace di contenere
il processo. È necessario scandire tutta la lista dei buchi. Si
produce il più piccolo buco residuo.
F Worst–fit: Viene allocato il buco più grande. È ancora
necessario ricercare in tutta la lista. Si produce il più grande
buco residuo.
n
First–fit e Best–fit sono mediamente migliori di Worst–fit,
rispettivamente in termini di velocità e impiego di memoria.
Frammentazione
n Frammentazione esterna — È disponibile lo spazio totale per
soddisfare una richiesta, ma non è contiguo.
n Frammentazione interna — La memoria allocata può essere
leggermente maggiore della memoria richiesta (pochi byte di
differenza). La differenza di dimensioni è memoria interna ad
una partizione che non viene impiegata.
n Si può ridurre la frammentazione esterna con la compattazione
F Si postano i contenuti della memoria per avere tutta la memoria
libera contigua a formare un grande blocco.
F La compattazione è possibile solo con la rilocazione dinamica e
viene effettuata in fase d’esecuzione.
F Si possono spostare tutti i processi verso un’estremità della
memoria.
Paginazione
n Un’altra soluzione alla frammentazione esterna è ottenuta
n
n
n
n
n
n
consentendo la non contiguità degli indirizzi fisici: allocazione
della memoria fisica ai processi ovunque essa sia disponibile.
Si divide la memoria fisica in blocchi di dimensione fissa
chiamati frame (la dimensione è una potenza del 2, compresa
fra 512 e 8192 byte).
Si divide la memoria logica in blocchi della stessa dimensione
chiamati pagine.
Si tiene traccia di tutti i frame liberi.
Per eseguire un programma di dimensione n pagine, è
necessario trovare n frame liberi prima di caricare il programma.
Si impiega una tabella delle pagine per tradurre gli indirizzi
logici negli indirizzi fisici.
Si ha solo frammentazione interna (relativa all’ultimo frame).
Schema di traduzione degli indirizzi
n L’indirizzo generato dalla CPU viene suddiviso in:
F Numero di pagina ( p ) — impiegato come indice in una
tabella di pagine che contiene l’indirizzo base di ciascuna
pagina nella memoria fisica.
F Offset nella pagina ( d ) — combinato con l’indirizzo base
per definire l’indirizzo fisico di memoria che viene inviato
all’unità di memoria.
Supporto hardware alla
traduzione degli indirizzi.
Modello di paginazione
n Il numero di pagina serve
come indice per la tabella
delle pagine.
n Questa contiene l’indirizzo di
base nella memoria fisica di
ogni pagina.
n L’indirizzo di base si appaia
con lo scostamento di pagina
per definire l’indirizzo della
memoria fisica.
Modello di paginazione di memoria
logica e memoria fisica
Dimensione delle pagine
n La dimensione di una pagina, così come quella di un frame,
è definita dall’architettura del calcolatore ed è tipicamente
una potenza di 2 compresa tra 512 byte e 16 MB.
n Le dimensioni sono potenza di 2 perché ciò facilita la
traduzione degli logici in numero di pagina e scostamento.
n Se lo spazio degli indirizzi logici è 2m e la dimensione di una
pagina è 2n, allora:
F gli m-n bit più significativi di un indirizzo logico indicano il
numero di pagina,
F gli n bit meno significativi indicano lo scostamento.
numero di pagina
scostamento di pagina
p
d
m-n
n
Esempio di paginazione
n Esempio: pagine di 4 byte e memoria
fisica di 32 byte (8 pagine).
n Indirizzo logico 0 è Pagina 0 +
scostamento 0
F Pagina 0 è Blocco 5
F Indirizzo logico 0 è Indirizzo fisico 20
n Indirizzo logico 3 è Pagina 0 +
scostamento 3
F Pagina 0 è Blocco 5
F Indirizzo logico 3 è Indirizzo fisico 23
n Indirizzo logico 4 è Pagina 1 +
scostamento 0
F Pagina 1 è Blocco 6
F Indirizzo logico 4 è Indirizzo fisico 24 Esempio di paginazione per una memoria
da 32 byte con pagine da 4 byte
Paginazione vs rilocazione
n La paginazione è una forma di rilocazione dinamica: ad ogni
n
n
n
n
indirizzo logico l’architettura di paginazione fa corrispondere
un indirizzo fisico.
Ciascuna riga della tabella delle pagine è analoga ad un
registro di rilocazione.
Con la paginazione si evita la frammentazione esterna, ma
non la paginazione interna, che mediamente è pari alla metà
di un blocco.
Blocchi piccoli diminuiscono la frammentazione interna,
blocchi grandi facilitano il trasferimento dalla memoria
secondaria.
Alcune CPU e kernel permettono l’utilizzo di pagine di
dimensione variabile (Solaris)
Esempi di paginazione
Frame liberi
Prima dell’allocazione
Dopo l’allocazione
Tabella dei blocchi di memoria
n Nella paginazione vi è una netta differenza tra memoria fisica e
memoria logica: per il programma utente la memoria è un
unico spazio contiguo.
n In realtà il programma è sparso nella memoria fisica, che
contiene anche altri programmi.
n La differenza tra memoria fisica e memoria logica è contenuta
nell’architettura di traduzione degli indirizzi, che fa
corrispondere indirizzi fisici e logici.
n Queste operazioni sono controllate dal sistema operativo, che
mantiene le informazioni sull’assegnazione in una tabella dei
blocchi di memoria.